A lista de instalações de teste de túnel de vento

Introdução

Os túneis de vento são instalações que permitem a simulação do mundo real de como o ar passa ao redor de um objeto. Os modelos de teste em túneis de vento fornecem os dados para verificar ou aprimorar as simulações de computador. Projetistas e engenheiros usam esses testes para estudar e avaliar fenômenos aerodinâmicos e de fluxo de fluidos. Os túneis de vento permitem validar a eficiência e a durabilidade de qualquer coisa, desde elementos arquitetônicos até carros e aeronaves.

Mapa mundial das instalações de teste de túnel de vento

Lista de instalações de ensaio de túneis de vento por país

O que é um túnel de vento

Um túnel de vento é uma configuração de teste semelhante a um duto ou tubo em que ventiladores elétricos potentes podem gerar fluxo de ar a uma velocidade conhecida. O fluxo de ar consistente é conduzido por modelos anteriores ou objetos em tamanho real para investigar o fluxo e o efeito dos fluxos de ar e otimizar seu design.

O ar no túnel se move ao redor do objeto de teste estacionário para simular o mesmo movimento relativo na vida real, enquanto as forças aerodinâmicas que atuam no objeto, como arrasto e sustentação, são medidas.

O modelo ou objeto é frequentemente colocado em uma plataforma giratória ou móvel giratório para permitir estudos do impacto do vento em várias direções.

Os túneis de vento são feitos para testar e prever a carga do vento para todos os tipos de estruturas que se movem no ar ou afetadas pela força do vento: pontes, embarcações, aeronaves, edifícios, turbinas eólicas e inúmeras estruturas offshore, ou partes e componentes destas. Até mesmo objetos como pára-quedas, reboques de veículos ou bolas de tênis são testados em túneis de vento.

As características do fluxo de ar ao redor do objeto testado podem ser visualizadas por técnicas de visualização de fluxo, incluindo fotografia ou gravação de vídeo de fumaça ou corante injetado, ou óleo fluindo no objeto.

Testes de túnel de vento verificam os cálculos dos engenheiros e identificam áreas para melhorias em seus projetos. As vantagens da técnica do túnel de vento incluem:

• Resultados precisos para minimizar suposições

• Circunstâncias de fluxo bem controladas

• Ajuste de variáveis à vontade e economia

• Fácil reprodução das condições experimentais

• Geração de dados precisos para validar as simulações de Dinâmica de Fluidos

• Computacional (CFD) e medições de campo.

Como funciona o túnel de vento?

Sem entrar em muitos detalhes, é melhor assistir a este vídeo explicando como funcionam os túneis de vento.

História do túnel de vento - quando começou?

Em um teste para testar as velas do moinho de vento, o engenheiro civil britânico John Smeaton em 1759 afirmou a necessidade de vento artificial. Smeaton desenvolveu os conceitos e dados que se tornaram a base para o coeficiente de pressão de Smeaton, a equação de sustentação usada pelos irmãos Wright. Durante o final de 1800, os túneis de vento apareceram quando muitos tentaram desenvolver máquinas voadoras bem-sucedidas.

Frank H. Wenham (1824-1908), um membro do Conselho da Sociedade Aeronáutica da Grã-Bretanha, geralmente é creditado com o projeto e operação do primeiro túnel de vento em 1871. O túnel foi construído por John Browning, um oculista, e localizado na Penn's Marine Engineering Works em Greenwich, Inglaterra. O túnel tinha 3,7 metros (12 pés) de comprimento e 45,7 centímetros (18 polegadas) quadrados. Outro túnel de vento documentado foi construído pelos irmãos Wright no final de 1901 para testes de voo de seus planadores.

Mesmo que o primeiro túnel de vento na Grã-Bretanha fosse operado por um ejetor de ar comprimido, os seguintes túneis de vento usavam o ar movido por um ventilador disposto a montante da seção de teste do túnel de vento. A mudança para sucção é um passo importante no desenvolvimento do túnel de vento. Quando o ventilador é disposto a jusante da seção de teste e não interfere mais no modelo, o que garante a qualidade do fluxo.

Estrutura do túnel de vento - como funciona?

Três critérios principais que são comumente usados para definir túneis de vento são a velocidade máxima alcançável, a uniformidade do fluxo e o nível de turbulência. Portanto, o objetivo do projeto de um túnel de vento, em geral, é obter um fluxo controlado na câmara de teste, alcançando os parâmetros de desempenho e qualidade de fluxo necessários.

Existem cinco partes básicas do túnel de vento: a câmara de decantação, o cone de contração, a seção de teste, o difusor e a seção de acionamento. Durante um teste, o objeto de teste é colocado na seção de teste do túnel e o ar passa por ele. Vários tipos de instrumentação são usados para determinar as forças no modelo.

Em alguns testes em túnel de vento, as forças aerodinâmicas e os momentos no modelo são medidos diretamente. O modelo é montado no túnel em uma máquina especial chamada equilíbrio de força. A saída da balança é um sinal relacionado às forças e momentos no modelo. As balanças podem ser usadas para medir as forças de sustentação e arrasto.

A balança deve ser calibrada em relação a um valor conhecido da força antes e, às vezes, durante o teste. As medições de força geralmente requerem alguma redução de dados ou processamento pós-teste para levar em conta os efeitos do número de Reynolds ou do número de Mach no modelo durante o teste.

Quatro propriedades do ar afetam a maneira como ele flui por um objeto: viscosidade, densidade, compressibilidade e temperatura. Com o modelo montado em um equilíbrio de força, pode-se medir os momentos de sustentação, arrasto, forças laterais, guinada, rolagem e arremesso em uma variedade de ângulos de ataque.

Tipos de túneis de vento

O tipo, tamanho e força do vento de um túnel de vento dependem do tamanho e do caráter do objeto para teste e das condições de fluxo desejadas. Alguns túneis de vento podem acomodar modelos em escala real, mas, por questões de praticidade e custo, a maioria é construída para caber em modelos miniaturizados.

Túneis de vento de circuito aberto (tipo Eiffel)

Os túneis de vento de circuito aberto ou de retorno aberto não recirculam o ar diretamente. Em vez disso, o ar é aspirado do ambiente do laboratório, passa pela seção de teste e retorna ao laboratório através da exaustão do túnel.

O túnel de vento do tipo Eiffel tem uma recirculação de ar aberta e sem recirculação. O soprador está no final do túnel em um difusor de saída. Neste procedimento, a orientação do fluxo ocorre por meio de uma câmara de alisamento com retificador e peneiras e um bico. Nomeado em homenagem a Gustave Eiffel, que em 1909 construiu um pequeno túnel de vento ao pé da Torre Eiffel para estudar o efeito do vento em pontos fixos mais precisos.

Túneis de vento de circuito fechado (tipo Prandtl)

No retorno fechado ou túnel de retorno fechado, o ar é conduzido da saída da seção de teste de volta ao ventilador por uma série de palhetas giratórias. Saindo do ventilador, o ar retorna à seção de contração e volta pela seção de teste.

Construído na Universidade de Göttingen, na Alemanha, por Ludwig Prandtl em 1909. Após ser sugado a jusante da seção de teste, o ar é conduzido por quatro curvas sucessivas e depois readmitido a montante do coletor. Este tipo de túnel de vento chamado túnel de vento de Prandtl – ou túnel de vento de Göttingen – leva a uma melhor eficiência de combustível e fornece condições de teste controladas (pressão, temperatura, umidade).

Os túneis de vento modernos são muitas vezes uma combinação desses tipos, o circuito fechado de Prandtl e o circuito aberto de Eiffel com um difusor.

Classificação do túnel de vento

Os túneis de vento são geralmente classificados pela quantidade de velocidade que podem produzir como de baixa velocidade (Low-Speed Wind Tunnels (LSWT)) ou de alta velocidade. Eles são ainda classificados como:

• Túneis de vento subsônicos (80 por cento da velocidade do som) - estes são posteriormente divididos em “subsônicos incompressíveis” (entre Mach 0 e cerca de 0,3) e “subsônicos compressíveis” (entre cerca de Mach 0,3 e cerca de 0,8).

• Túneis de vento transônicos – entre Mach 0,8 e 1,2 – sobre a velocidade do som.

• Túneis de vento supersônicos - entre Mach 1 e 4 - até 6 vezes a velocidade do som.

• Túneis de vento hipersônicos – Mach é maior que 4 - 5 - até 12 vezes a velocidade do som.

• Túneis de vento de hipervelocidade – mais de 12 vezes a velocidade do som.

Túneis de vento especializados

• Os túneis de vento de alta entalpia são projetados para estudar o fluxo de ar em torno de objetos que se movem a velocidades muito mais rápidas do que a velocidade local do som (velocidades hipersônicas). "Entalpia" é a energia total de uma corrente de gás, composta de energia interna devido à temperatura, o produto da pressão e do volume e a velocidade do fluxo.

• Túneis de vento de entrada atmosférica ou túneis de vento de plasma usam plasma para simular o aquecimento aerodinâmico e um estado de número Mach alto na reentrada na atmosfera. Ele reproduz as condições de reentrada aquecendo o gás a vários milhares de graus Celsius, em fluxos de ar sete vezes a velocidade do som e com pressões de estagnação de até 50 atmosferas. Números de Reynold variáveis indicam o fluxo de fluido estável ou turbulento que passa pelo objeto ou no túnel.

• Os túneis de vento climáticos têm a capacidade de recriar condições climáticas como radiação solar, temperatura e umidade, por exemplo, chuva, queda de neve e gelo. Ele é usado para testar coisas como turbinas eólicas, cabos de ponte ou ventiladores em aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC).

• Tubos de choque ou túneis de vento de purga produzem fluxo de ar por descarga rápida de um tanque de armazenamento de alta pressão ou por sucção de um reservatório evacuado. Eles podem replicar e direcionar ondas de explosão simulando explosões reais e seus efeitos. Os tubos de choque são usados para investigar fenômenos de fluxo compressível e reações de combustão em fase gasosa.

Aplicações de túnel de vento

Projetistas e engenheiros usam modelagem e testes de túnel de vento para simular e avaliar a aerodinâmica em torno de objetos e validar a eficiência e durabilidade de qualquer coisa, desde elementos arquitetônicos a carros e aeronaves.

Teste de veículos terrestres - baixa velocidade (subsônico)

• Simule as condições de condução do mundo real para estudar a aerodinâmica em veículos com o objetivo de reduzir o arrasto aerodinâmico, aumentar a eficiência e reduzir as emissões de CO2.

• Estude a acústica dos veículos para reduzir o ruído aerodinâmico, tanto no exterior como no interior do veículo.

• Os túneis de fluxo externo são usados para estudar o fluxo externo através do chassi, a força de frenagem do vento

• Os túneis climáticos são usados para avaliar o resfriamento do motor, o nível de conforto interno, o desempenho dos sistemas de portas, sistemas de frenagem, etc., sob várias condições climáticas.

Teste de aeronaves - baixa e alta velocidade

• Testes de túnel de vento de aeronaves de baixa velocidade para medir as características aerodinâmicas das aeronaves - propriedades de sustentação e arrasto, bem como a estabilidade da aeronave e dos componentes do motor. Esses testes de túnel de vento são usados para testes de estabilidade estática e medição de pressão.

• As características aerodinâmicas das aeronaves em velocidades de decolagem e pouso, etc.

• Ondas de choque para aeronaves de alta velocidade são visualizadas usando água como fluido de trabalho.

• Compreender a aeroacústica explorando o ruído aerodinâmico, ou seja, o movimento turbulento do fluido e as flutuações de pressão acústica, ou seja, a geração de ruído externo via forças aerodinâmicas interagindo com as superfícies.

• Os sistemas de pulverização de água são aplicados para testes de congelamento.

Teste de naves espaciais – alta velocidade (supersônico, hipersônico, hipervelocidade)

• Túneis de vento de entrada atmosférica ou túneis de vento de plasma para caracterizar o comportamento aerodinâmico e aquecimento de materiais e estruturas por simulação de entrada em veículos espaciais como foguetes, satélites, veículos lançadores, naves espaciais.

• Simulação da queima desejada durante a reentrada atmosférica para estimar o risco de detritos atingirem o solo.

• Túneis de vento de alta entalpia para testes de aquecimento de sistemas de proteção térmica para veículos de reentrada.

Testes estruturais - baixa velocidade (subsônico)

• Os testes de túnel de vento são usados para prever as cargas de vento e as respostas de uma estrutura, componentes estruturais e revestimento a uma variedade de condições de vento.

• Engenharia eólica para medir a velocidade do ar ao redor ou dentro, forças ou pressões sobre estruturas de engenharia civil, bem como as respostas induzidas pelo vento - especialmente em estruturas grandes, altas ou sensíveis ao vento, como arranha-céus e edifícios altos, grupos de edifícios, longos -span telhados, túneis, pontes, estruturas offshore.

• Testes de túnel de vento para pontes para avaliação de vigas, postes e cabos, realizados em vigas, postes e cabos, separadamente ou em conjunto. Testes de túnel de vento também são realizados para guarda-corpos, barreiras ou sinais de trânsito, respectivamente.

• Túneis de vento climáticos para estudar os efeitos combinados do vento e outros parâmetros climáticos, como chuva, areia, sol, neve ou temperatura em elementos de construção

Aquisição de dados e sensores

Os túneis de vento são usados por engenheiros para testar forças contra a pressão do vento. Fazer medições precisas de pressões e forças no modelo de teste permite que o engenheiro as preveja na aeronave em escala real e melhore seu desempenho aerodinâmico.

Para realizar essas medições, os engenheiros devem utilizar sensores e equipamentos de condicionamento de sinal para armazenar e analisar os dados. Em outras palavras, são necessários sistemas modernos de aquisição de dados.

Sensores de túnel de vento

Para engenheiros de teste de túnel de vento geralmente usam sensores dinâmicos como:

• Sensores de pressão

• Microfones

• Sensores de força

• Medidores de tensão

Os sensores do túnel de vento são organizados por classificação de velocidade. Do uso subsônico de microfones condensadores para holografia acústica a sensores de choque para estudar a transição da camada limite de veículos de reentrada hipersônicos. Os sensores geralmente são instalados dentro dos túneis de vento ou próximos ao próprio modelo.

Condicionamento de sinal

O condicionamento de sinal é um circuito eletrônico que manipula um sinal de forma a prepará-lo para o próximo estágio de processamento. Muitas aplicações envolvem medição ambiental ou mecânica de sensores, como temperatura e vibração. Esses sensores requerem condicionamento de sinal antes que um dispositivo de aquisição de dados possa medir o sinal com eficácia e precisão.

Uma vez que o sinal esteja corretamente condicionado, ele está pronto para ser armazenado pelo sistema de aquisição de dados e preparado para análise por meio de um software de processamento de sinal.

Referências

• What Are Wind Tunnels? Parte de NASA Knows! (Grades 5-8) series, 25 de junho de 2014

  A century of wind tunnels since Eiffel. Bruno Chanetz, The French Aerospace Lab ONERA. Comptes Rendus Mecanique 345(8). julho de 2017.

• What Is Wind Tunnel Testing? Boom Supersonic. 10 de agosto de 2021.